INTRODUCCIÓN
La mayoría de los productos agrícolas y marinos contienen gran cantidad de agua (60 a 90%) en su composición y no pueden ser almacenados a temperatura ambiente durante largos períodos. El propósito del secado es extraer el agua contenida en los productos. Cuando estos son secados hasta un 14-20% de humedad relativa, disminuye significativamente la actividad respiratoria y se controlan los microorganismos asociados, lo que permite almacenarlos en lugares cerrados por períodos de 6 a 12 meses, sin perder sus propiedades nutricionales y organolépticas (Richter et al., 2013). El secado es una de las más antiguas aplicaciones de la energía solar en la conservación de alimentos.
A nivel industrial el secado se realiza usando combustibles convencionales como el petróleo, el carbón, y la biomasa, lo que contribuye a agudizar los problemas de la deforestación, la contaminación del aire y el calentamiento global. Una de las alternativas más usadas a pequeña escala es el secado solar, para lo que comúnmente se emplean secadores solares artesanales. Pero estos dispositivos no son concebidos para controlar la temperatura de secado, la que depende, por un lado, del diseño del secador, y por el otro, de la variación de las condiciones climáticas. Esto significa que durante el secado de un producto la temperatura va a variar dependiendo fundamentalmente de la intensidad solar. A eso se le suma que la mayoría de estos secadores solares, por ser artesanales, no tienen implementado un sistema de medición de temperatura. En el secado de productos alimenticios, como las especias, la temperatura pudiera influir en su calidad.
DESARROLLO DEL TEMA
Para la realización de este trabajo primero se efectúa una revisión de la literatura científica para determinar la influencia de la temperatura de secado en la calidad de algunos productos agrícolas, como las hierbas aromáticas y las especias. Luego se realiza una búsqueda en páginas de internet de fabricantes y proveedores de tecnologías de automatización ‘tradicionales’ basadas en Controladores Lógicos Programables (PLC) y Sistemas de Supervisión, Control y Adquisición de Datos (SCADA) para establecer si es viable económicamente su empleo en instalaciones de secado a pequeña escala. Al final se valora el uso de sistemas embebidos como alternativa para el control de la temperatura en secadores solares.
El secado como método de conservación de alimentos
Dauthy (1995) y Okos et al. (2006), definen el secado como un método de remoción de humedad mediante un proceso de transferencia de masa y calor. La transferencia de calor desde el ambiente circundante evapora la humedad de la superficie. La humedad puede ser transportada hacia la superficie del producto y entonces ser evaporada, o bien, puede ser evaporada internamente en una interfaz líquido-vapor y luego ser transportada como vapor a la superficie.
El secado es uno de los métodos más usados de conservación de alimentos, con el cual se reduce el contenido de humedad evitando el crecimiento de microorganismos que causan la descomposición de los alimentos. Este método ayuda en la reducción de la masa y el volumen del producto, lo que reduce gastos en transporte y almacenamiento y también permite almacenar el alimento a temperatura ambiente (Aravindh y Sreekumar, 2015).
Las instalaciones de secado a nivel industrial son grandes consumidoras de energía a escala global y son contribuidores significativos a la producción de gases de efecto invernadero. Por ejemplo, una publicación relativamente reciente estima que en Reino Unido se consumen aproximadamente 3,486.1017 J en operaciones de secado. Esto equivale al 17,7% del consumo industrial de energía del país. Además, registros históricos de la década de 1970, indican que este porciento se ha ido incrementando progresivamente (Akritidis et al., 1998). Chua et al. (2000), reportaron que el consumo del proceso de secado está entre el 10 y el 15% de toda la demanda industrial.
En la mayoría de los países industrializados, la energía usada en el secado se encuentra entre los valores de 7 y 15% de la energía de uso industrial del país, a menudo con una baja eficiencia termal, que se encuentra entre el 25 y el 50%. Chua et al. (2000) y Kirk (2015), también reportaron que el proceso de secado consume por encima del 70% de la energía total en la manufactura de productos de la madera, el 50% de la energía empleada en fábricas textiles y por encima del 60% de la producción agrícola de maíz.
El secado es un proceso con alto requerimiento de energía que forma alrededor del 60% de la necesidad energética total para la producción de cereales, por ejemplo. Esta cantidad de energía consumida es considerable en comparación con las cifras de consumo medio de energía en labranza (16%), siembra y protección de plantas (12%), cosecha (6%) y transporte (6%) (Brooker et al., 1992).
Estos datos dan cuenta del alto consumo energético del secado a nivel industrial, para lo cual muchas veces se emplean combustibles convencionales como el petróleo, el carbón, y la biomasa. Los que aumentan el costo del producto secado al invertir elevadas cantidades de dinero en la tecnología y el combustible y contribuyen con la contaminación del medio ambiente y el cambio climático. Además de que estos crean dependencia del combustible quedando expuestos ante cambios en los precios del barril de crudo en el mercado internacional. Debido al alto costo de esta tecnología no es común su empleo en países en vías de desarrollo. Por tal razón se considera adecuado el uso de energías renovables como la energía solar, que como plantea Richter et al.(2013) es limpia, abundante y libre de costos.
La energía solar irradiada en la superficie de la tierra es 14000 veces mayor que el consumo de global de energía (Krauter, 2006). Según Kirk (2015) el sol genera aproximadamente 3,8.1026Js-1 (3,8.1026 W), de los cuales la Tierra recibe en promedio 1,7.1018 W del Sol, de la que por ejemplo la radiación solar anual promedio en Holanda es 1000 kWh/m2, mientras que en el Sahara el valor promedio es 2200 kWh/m2 (Smets et al., 2016).
El secado solar es un método importante de conservación de alimentos con grandes requerimientos energéticos, usado principalmente en países en vías de desarrollo. Se considera que se puede extender su uso en estos países y aprovechar el potencial de la energía irradiada desde el Sol y aprovechar en países desarrollados con sistemas asistidos mediante otras fuentes energéticas para al menos disminuir el consumo de los combustibles convencionales.
Disponibilidad solar y efecto de la temperatura en la calidad del producto secado
Una de las dificultades de la energía solar es que no siempre está disponible cuando se necesita (Camacho et al., 2012). Por ejemplo en las noches o días nublados la disponibilidad solar es nula o es muy baja para realizar el secado del producto con la eficiencia necesaria. Debido a esta situación se cree precisa la utilización de un sistema que emplee una fuente auxiliar capaz de suministrar la energía suficiente para la realización correcta del proceso de secado en un tiempo menor.
Priestley (1979), Aurand et al.(1987), Márquez et al.(2003), Belén-Camacho et al. (2004) y Villota y Hawkes (2006) reportaron que la temperatura influye en las propiedades físico-químicas del producto y las pérdidas de nutrientes. Esto significa que influye en la calidad del producto secado, por ejemplo en el secado de especias destinadas a la alimentación humana y otras producciones para la industria farmacéutica. Esto se considera un efecto no deseado por lo que se deben tomar medidas para disminuir este efecto durante el secado solar.
Hincapié et al. (2010) plantearon que el proceso de deshidratación puede acelerarse realizándose a elevadas temperaturas, pero esto produciría una pérdida de la calidad del producto, lo cual no compensaría la reducción de tiempo del proceso. Se considera este enfoque adecuado, ya que no se puede intentar aumentar la eficiencia del proceso a expensas de la calidad del producto. Debido a esto es necesario encontrar un punto de equilibrio para garantizar un producto con una calidad adecuada y un tiempo de secado que favorezca una eficiencia aceptable. Es preciso alcanzar un estado en el que la temperatura se encuentre en un intervalo con un valor máximo que no afecte la calidad del producto y un valor mínimo que no atente contra la eficiencia del proceso.
Los secadores solares, debido a su propia concepción como tecnología económica y dependiente solo de la energía solar, no poseen un mecanismo interno que permita regular o controlar la temperatura de secado y mantenerla en el intervalo o valor adecuado establecido para cada producto. Para lograr esto normalmente se implementa un sistema de control de temperatura. La solución tradicional se implementa con tecnología de automatización aplicada en la industria, la que según el sondeo realizado en las páginas en internet, un sistema de control de temperatura que incluya un sensor de temperatura, un Controlador Lógico Programable (PLC) y un Sistema de Supervisión, Control y Adquisición de Datos (SCADA) puede costar alrededor de $1300 USD. Esto se considera un costo excesivo para el secado de productos a pequeña escala y no se justifica su aplicación. Por lo que se hace necesario buscar alternativas y una de las más importantes es el desarrollo de controladores basados en sistemas embebidos, tecnología mucho más económica, sencilla y que pudiera ser de más fácil asimilación por parte de los productores.
Un sistema embebido es un sistema con una computadora aplicada, que se distinguen de otros tipos de computadoras como las computadoras personales (PC) o supercomputadoras (Noergaard, 2005). Es decir un sistema electrónico que usa un chip de computadora, por ejemplo un microcontrolador, como ‘núcleo’ para controlar un proceso. Según el sondeo realizado en las páginas en internet los precios de los microcontroladores pueden variar entre $0,30 USD y $15USD. Se considera que un sistema de control basado en sistemas embebidos, por ejemplo con microcontroladores, sería mucho más económico que otro basado en tecnología de automatización tradicional (basado en PLC y SCADA). Por lo que pudiera ser justificable el empleo de sistemas de control basados en sistemas embebidos en secadores solares para el secado de productos agropecuarios a pequeña escala.
RESULTADOS Y DISCUSIÓN
El secado es una técnica altamente consumidora de energía, empleada en la conservación de alimentos, productos agropecuarios, etc. En los países desarrollados generalmente se emplean técnicas de secado industrial a base de combustibles convencionales, mientras que en los países en vías de desarrollo habitualmente se utiliza la energía solar por ser más económica. Se considera que, independientemente del país, la energía solar es una alternativa adecuada para el secado de productos, ya que esta es libre de costos, abundante, no produce contaminación ambiental y disminuye la dependencia de los combustibles fósiles. Se ha encontrado que el uso de instalaciones solares artesanales ha ganado en popularidad para el secado de productos alimenticios destinados al consumo humano como las especias. Pero en la revisión de la literatura sobre el tema se encontró que la temperatura de secado influye en la calidad del producto secado. Esto generalmente no se tiene en cuenta en las instalaciones de secado solar, ya que los secadores solares artesanales no poseen un mecanismo interno que permita regular la temperatura y llevarla al valor o intervalo de temperatura adecuado para cada producto, ya que no fueron concebidos para estos fines.
En el trabajo se analiza la posibilidad de emplear controladores de temperatura para evitar la pérdida de calidad del producto secado en secadores solares artesanales. Con este fin se analiza la posibilidad de aplicar tecnología de automatización tradicional basada en PLC y SCADA, encontrándose que resulta muy costosa y no se justifica su aplicación en el secado solar a pequeña escala. Se presenta como alternativa el empleo de sistemas embebidos, por ejemplo basados en microcontroladores, para el desarrollo de controladores de temperatura para secadores solares artesanales. Esta opción resulta mucho más económica que la basada en la tecnología tradicional. Por lo que se considera adecuado implementar sistemas de control de temperatura basados en sistemas embebidos en secadores solares a pequeña escala destinados al secado de productos alimenticios y agropecuarios, para evitar pérdidas de calidad.
CONCLUSIONES
Se determinó, a partir de una revisión de la literatura científica sobre el tema, que la temperatura de secado influye en las propiedades físico-químicas del producto y las pérdidas de nutrientes de productos agropecuarios destinados a la alimentación humana, como las especias y producciones farmacéuticas, por lo que tiene influencia directa en la calidad del producto a secar.
Se estableció el empleo de controladores de temperatura como medio para disminuir las pérdidas de calidad del producto durante el secado en instalaciones solares.
Se propuso el empleo de sistemas embebidos, como los basados en microcontroladores, para el desarrollo de sistemas de control de temperatura económicos y adecuados para producciones a pequeña escala en instalaciones solares artesanales.